專利名稱：玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔及其動態(tài)控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成光學，特別是一種玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔及其動態(tài)控制裝置。
背景技術：
近幾年，波導耦合微環(huán)形諧振腔器件(Waveguide-CoupledMicro-Ring Resonator，WCMRR)因其在光通信系統(tǒng)中的廣闊應用前景和緊湊的結構而倍受研究人員的重視。它可以用來構建多種不同功能的集成光子回路，如利用其良好的濾波性能，可以用于構成密集波分復用濾波器、光學梳狀濾波器和光分插復用器等高性能濾波器件；利用其具有的臨界耦合(Critical Coupling)特性，可以構成若干動態(tài)可調諧集成光子器件，如光開關、調制器、動態(tài)可配置光分插復用器(ROADM)和動態(tài)色散補償器等。因而，WCMRR器件被認為是構筑未來超大規(guī)模集成光路的基本模塊。在先技術(1)D.Rafizadeh，J.P.Zgang，et al.，Waveguide-coupled AlGaAs/GaAs microcavity ring and diskresonators with high finesse and 21.6nm free spectral range，Opt.Lett.，1997，22(16)，1244-1246. (2)B.E.Little，et al.，Microring resonator channel dropping filters，IEEE J.L.T.，1997，15(6)，998-1005. (3)Shuicgi Suzuki，Yutaka Hatakeyama，Precise control of wavelength channel spacing of microringresonator add-drop filter array，J.Lightwave Technol.，2002，20(4)，745-750.中，歐洲、日本和美國的幾家研究機構已在AlGaAs-GaAs系半導體化合物、SiO2和聚合物等材料上實現了WCMRR濾波器原型器件；在先技術[4]C.K.Madsen，Integrated waveguideallpass filter tunable dispersion compensators，OFC2002，TuT1，131-132.中，利用臨界耦合特性，朗訊公司的貝爾實驗室采用控制耦合系數的方法，在SiO2材料上實現了波導動態(tài)色散補償器原型器件[5]。由于所有在先技術在不同襯底材料1上制成的WCMRR器件如圖1所示，其組成的基本單元直波導1和曲率半徑為R的環(huán)波導2都是無源的，這樣不可避免地存在三大缺陷(1)環(huán)波導2固有的高彎曲損耗和散射損耗極大地限制了器件的尺寸大小，即波導曲率半徑R較大，使得器件的自由光譜范圍較小，不能覆蓋整個C波段；(2)器件的插入損耗大；(3)雖然可通過控制波導1、2之間耦合系數的方法來實現臨界耦合以達到器件動態(tài)可調諧的性能，但采用的技術手段很復雜，不利于器件實用化。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現有WCMRR器件存在的缺陷，提供一種玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔及其動態(tài)控制裝置。該器件具有制作方便、尺寸小、損耗低、自由光譜范圍寬和臨界耦合容易控制的特點。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于它由無源直波導模塊和有源環(huán)波導模塊通過鍵合連接組成，該無源直波導模塊是由一定厚度H、寬度W和長度L的玻璃基質和厚度為hg1寬度為wg1并沿該玻璃基質長度方向布置的直波導構成；所述的有源環(huán)波導模塊由摻有激活稀土離子的玻璃基質及其內部的具有厚度為hg2、寬度為wg2、曲率半徑為Rg的有源環(huán)波導構成。
所述的鍵合連接是無源直波導模塊和有源環(huán)波導模塊沿平面方向鍵合連接，或無源直波導模塊和有源環(huán)波導模塊沿垂直方向鍵合連接。
所述的無源直波導模塊的玻璃基質和直波導是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或無機-有機混合薄膜材料構成。
所述的無源直波導模塊的制作工藝為化學氣相沉積工藝，或溶膠-凝膠工藝。
所述的有源環(huán)波導模塊的玻璃基質和有源環(huán)波導是由摻入鉺，或鐿，或鉺和鐿的磷酸鹽或硅酸鹽玻璃構成。
所述的有源環(huán)波導模塊的制作工藝是離子交換法，或離子注入法，或濺射法。
所述的耦合連接工藝采用芯片健合工藝、或膠合工藝。
所述的無源直波導模塊中的直波導和有源環(huán)波導模塊中的有源環(huán)波導的橫截面為矩形、圓形，或其它形狀。
本發(fā)明玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔的動態(tài)控制裝置，其構成一泵浦激光器與波分復用器的一輸入端口相連，該波分復用器的輸出端與直波導相連，該波分復用器的另一輸入端口為信號光輸入端口。
本發(fā)明的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔及其動態(tài)控制裝置具有以下優(yōu)點本發(fā)明將有源玻璃材料應用于波導耦合微環(huán)形諧振腔，克服了現有波導耦合微環(huán)形諧振腔器件存在的缺陷，是一種高性能、低成本的波導耦合微環(huán)形諧振腔(WCMRR)器件和一種簡便的動態(tài)控制其臨界耦合特性的裝置。
利用有源玻璃材料的高增益特性對波導耦合微環(huán)形諧振腔WCMRR器件固有的高彎曲損耗和散射損耗進行補償，克服了器件的插入損耗大的問題；由于損耗的降低，使環(huán)形諧振腔的半徑可以大大減小，不但減小了器件的尺寸，而且能夠大大增加器件的自由光譜范圍；采用動態(tài)調節(jié)波導耦合微環(huán)形諧振腔內增益系數(損耗系數)來控制臨界耦合的方法，方法簡便，制作簡單，容易實現。
總之，本發(fā)明的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔器件具有制作方便、尺寸小、損耗低、自由光譜范圍寬的優(yōu)勢，和臨界耦合容易控制的特點。
圖1在先技術的波導耦合微環(huán)形諧振腔結構示意2本發(fā)明實施例1沿平面方向鍵合連接的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔結構示意3本發(fā)明實施例2沿垂直方向鍵合連接的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔結構示意4本發(fā)明玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔的動態(tài)控制裝置的光路示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖2和圖3，圖2是本發(fā)明實施例1沿平面方向鍵合連接的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔結構示意圖，圖3本發(fā)明實施例2沿垂直方向鍵合連接的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔結構示意圖，由圖可見，本發(fā)明玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，由無源直波導模塊4和有源環(huán)波導模塊7通過鍵合連接組成，該無源直波導模塊4是由一定厚度H、寬度W和長度L的玻璃基質5和厚度為hg1寬度為wg1并沿該玻璃基質5長度方向布置的直波導6構成；所述的有源環(huán)波導模塊7由摻有激活稀土離子的玻璃基質8及其內部的具有厚度為hg2、寬度為wg2、曲率半徑為Rg的有源環(huán)波導9構成。
所述的鍵合連接有兩種方式，即無源直波導模塊4和有源環(huán)波導模塊7沿平面方向鍵合連接，即實施例1，如圖2所示，或無源直波導模塊4和有源環(huán)波導模塊7沿垂直方向鍵合連接，即實施例2，如圖3所示。
所述的無源直波導模塊4的玻璃基質5和直波導6是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或無機-有機混合薄膜材料構成。
所述的無源直波導模塊4的制作工藝為化學氣相沉積工藝，或溶膠-凝膠工藝。
所述的有源環(huán)波導模塊7的玻璃基質8和有源環(huán)波導9是由摻入鉺，或鐿，或鉺和鐿的磷酸鹽或硅酸鹽玻璃構成。
本發(fā)明玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔的動態(tài)控制裝置的構成是一泵浦激光器10與波分復用器13的一輸入端口11相連，該波分復用器13的輸出端與直波導6相連，該波分復用器13的另一輸入端口12為信號光輸入端口，如圖4所示。
臨界耦合效應是波導耦合微環(huán)形諧振腔的一個重要特性，當環(huán)形腔滿足諧振條件時，其透射特性由公式1表示，|b1|2=(α-|t|)2(1-α|t|)2---(1)]]>其中b1為器件輸出，α為環(huán)波導9的損耗系數(增益系數)，t為直波導6和環(huán)波導9之間的耦合系數。當α＝|t|時，諧振腔處于臨界耦合狀態(tài)，器件輸出功率|b1|2＝0，而且當α＞|t|時，輸出功率|b1|2急劇增加，所以通過調整環(huán)形諧振腔內部損耗系數(增益系數)或耦合系數t，可以實現光的開關功能或調制功能。
在先技術[4]中，是采用控制耦合系數t的方式來控制臨界耦合狀態(tài)，實現器件的動態(tài)調諧功能。由于直接控制耦合系數不易實現，他們采用一個非平衡馬赫曾德干涉儀結構來實現耦合系數的控制，結構復雜，制作工藝難度高。在本發(fā)明中，采用玻璃有源材料構成有源環(huán)波導，利用調節(jié)波導耦合微環(huán)形諧振腔內增益系數(損耗系數)的方法來控制臨界耦合狀態(tài)。如圖4所示，泵浦激光器10發(fā)出泵浦光通過波分復用器13的一個輸入端口11輸入并輸出至無源直波導模塊4的直波導6中，并通過直波導6和有源環(huán)波導模塊7的有源環(huán)波導9的耦合作用進入有源環(huán)波導9中進行泵浦，信號光則由波分復用器13的另一個輸入端口12輸入并輸出至無源直波導模塊4的直波導6中，通過直波導6和有源環(huán)波導模塊7的有源環(huán)波導9的耦合作用進入有源環(huán)波導9中，通過改變泵浦激光器10的輸出功率，有源環(huán)波導9的增益系數(損耗系數)就隨之改變，從而控制信號光的臨界耦合狀態(tài)，使信號光實現開關等動態(tài)調諧功能。
本發(fā)明的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔不但能夠通過動態(tài)調節(jié)波導耦合微環(huán)形諧振腔內增益系數(損耗系數)來控制臨界耦合，實現信號光的開關等動態(tài)調諧功能，而且可以利用有源玻璃材料的高增益特性對波導耦合微環(huán)形諧振腔WCMRR器件固有的高彎曲損耗和散射損耗進行補償，降低器件的插入損耗，同時可以使環(huán)形諧振腔的半徑可以大大減小，大大增加器件的自由光譜范圍，提高器件的應用范圍和實用性。
本發(fā)明的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，所述的無源直波導模塊4和有源環(huán)波導模塊7的耦合連接工藝，可以采用芯片健合工藝，膠合工藝，或其他已知工藝。所述的無源直波導模塊4，其玻璃基質5和直波導6可以是由二氧化硅玻璃或高分子薄膜，或無機-有機混合薄膜材料構成。所述的無源直波導模塊4的制作工藝，可以采用化學氣相沉積工藝或溶膠-凝膠工藝，或其他已知工藝。所述有源環(huán)波導模塊7，其玻璃基質8和有源環(huán)波導9是由摻入鑭系元素的磷酸鹽或硅酸鹽玻璃構成。所述的鑭系元素可以是鉺或鐿，也可以是鉺和鐿。所述的有源環(huán)波導模塊7的制作工藝，可以采用離子交換法或離子注入法或濺射法，或其他已知工藝。所述的無源直波導模塊4中的直波導6和有源環(huán)波導模塊7中的有源環(huán)波導9，其橫截面可以為矩形、圓形或其他形狀。
權利要求
1.一種玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于它由無源直波導模塊(4)和有源環(huán)波導模塊(7)通過鍵合連接組成，該無源直波導模塊(4)是由一定厚度H、寬度W和長度L的玻璃基質(5)和厚度為hg1寬度為wg1并沿該玻璃基質(5)長度方向布置的直波導(6)構成；所述的有源環(huán)波導模塊(7)由摻有激活稀土離子的玻璃基質(8)及其內部的具有厚度為hg2、寬度為wg2、曲率半徑為Rg的有源環(huán)波導9構成。
2.根據權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的鍵合連接是無源直波導模塊(4)和有源環(huán)波導模塊(7)沿平面方向鍵合連接，或無源直波導模塊(4)和有源環(huán)波導模塊(7)沿垂直方向鍵合連接。
3.根據權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的無源直波導模塊(4)的玻璃基質(5)和直波導(6)是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或無機-有機混合薄膜材料構成。
4.根據權利要求3所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的無源直波導模塊(4)的制作工藝為化學氣相沉積工藝，或溶膠-凝膠工藝。
5.根據權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的有源環(huán)波導模塊(7)的玻璃基質(8)和有源環(huán)波導(9)是由摻入鉺，或鐿，或鉺和鐿的磷酸鹽或硅酸鹽玻璃構成。
6.根據權利要求5所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的有源環(huán)波導模塊(7)的制作工藝是離子交換法，或離子注入法，或濺射法。
7.根據權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的耦合連接工藝采用芯片健合工藝、或膠合工藝。
8.根據權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔，其特征在于所述的無源直波導模塊(4)中的直波導(6)和有源環(huán)波導模塊(7)中的有源環(huán)波導(9)的橫截面為矩形、圓形。
9.動態(tài)控制權利要求1所述的玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔的臨界耦合的裝置，其特征是該裝置的構成一泵浦激光器(10)與波分復用器(13)的一輸入端口(11)相連，該波分復用器(13)的輸出端與直波導(6)相連，該波分復用器(13)的另一輸入端口(12)為信號光輸入端口。
全文摘要
一種玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔及其動態(tài)控制裝置，其玻璃有源波導耦合微環(huán)形諧振腔由無源直波導模塊和有源環(huán)波導模塊通過鍵合連接組成，該無源直波導模塊是由一定厚度H、寬度W和長度L的玻璃基質和厚度為h
文檔編號G02B6/26GK1645173SQ20051002347
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權日2005年1月20日
發(fā)明者蔡海文, 方祖捷, 陳高庭, 龐拂飛, 韓秀友 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所